JP4120566B2 - プラズマ処理方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体等の電子デバイスやマイクロマシンの製造に利用されるプラズマ処理方法及び装置に関するものである。

以下、従来のプラズマ処理方法の一例として、パッチアンテナ方式プラズマ源を用いたプラズマ処理について、図７を参照して説明する。

図７において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により１００ＭＨｚの高周波電力を真空容器１内に突出して設けられたアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してプラズマ処理を行うことができる。

また、基板電極６に高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面１’とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を介してそれぞれアンテナ５とアンテナ用高周波電源４、アンテナ５と真空容器１’とを接続している。また、アンテナ５の表面はカバー１２により覆われている。

また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるプラズマトラップ１５が設けられている。

ターボ分子ポンプ３及び排気口１６は、基板電極６の直下に配置されており、また、真空容器１を所定の圧力に制御するための調圧弁１７は、基板電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。

また、インナチャンバ１８によって真空容器１の内壁面が覆われており、プラズマ処理によって真空容器１が汚れるのを防止している。所定数の基板７を処理した後、汚れたインナチャンバ１８をローテーションパーツと交換することで、速やかにメンテナンス作業を実施することができるように考慮されている。
特開平１０−１２５９７号公報 特開平７−２９８９４号公報 特開平４−２２５２２６号公報

しかしながら、上記従来例で述べたプラズマ処理技術においては、処理条件によっては基板電極６よりも下側（図７のハッチング部分）にまでプラズマが拡がるという問題点がある。

基板電極６よりも下側にまで拡がったプラズマは、基板７を処理するのに全く不要であるため、処理チャンバとしての真空容器１に投入されたパワーに対する処理効率の悪化を招く。また、処理による真空容器１の汚れも基板電極６よりも下側に拡がり、メンテナンス作業の増大をもたらす。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、基板電極のアンテナ側表面よりも下側の領域へのプラズマの拡がりが起きにくく、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理方法及び装置を提供することを目的としている。

本願の第１発明のプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したことを特徴とする。

また、本願の第２発明のプラズマ処理方法は、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に多孔導体と多孔電波吸収体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したことを特徴とする。

更に、本願の第３発明のプラズマ処理装置は、真空容器と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、前記基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したことを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本願の第１発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したため、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理方法を実現できる。

また、本願の第２発明のプラズマ処理方法によれば、真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したため、基板電極のアンテナ側表面よりも下側の領域へのプラズマの拡がりが起きにくく、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理方法を実現できる。

更に、本願の第３発明のプラズマ処理装置によれば、真空容器と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、前記基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したため、パワー効率が良く、かつ、メンテナンス作業が軽減できるプラズマ処理装置を実現できる。

次に、本発明の実施形態について、図１を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態において用いたプラズマ処理装置の断面図を示す。図１において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により１００ＭＨｚの高周波電力を真空容器１内に突出して設けられたアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してプラズマ処理を行うことができる。

また、基板電極６に高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。

また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面１’とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を介してそれぞれアンテナ５とアンテナ用高周波電源４、アンテナ５と真空容器１’とを接続している。また、アンテナ５の表面は、カバー１２により覆われている。

また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるプラズマトラップ１５が設けられている。

ターボ分子ポンプ３及び排気口１６は、基板電極６の直下に配置されており、また、真空容器１を所定の圧力に制御するための調圧弁１７は、基板電極６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ３の直上に位置する昇降弁である。また、インナチャンバ１８によって真空容器１の内壁面が覆われており、プラズマ処理によって真空容器１が汚れるのを防止している。所定数の基板７を処理した後、汚れたインナチャンバ１８をローテーションパーツと交換することで、速やかにメンテナンス作業を実施することができるよう、考慮されている。基板電極６は、４本の支柱１９により、真空容器１に固定されている。

真空容器１は接地され、かつ、複数の多孔導体２０及び２６によって真空容器１が基板７のある側と基板７の無い側（図１のハッチング部分）に分離されている。また、図２は多孔導体２０及び２６の平面を示し、多孔導体２０及び２６の大きさを大きめに描いているが、実際には穴の数はもっと多い。典型的には、基板電極６の直径は２２０ｍｍ、インナチャンバ１８の内径は４５０ｍｍであり、多孔導体２０及び２６の穴が、半径方向に（４５０−２２０）／（２×１．２）≒９５個設けられる一例を示すが、穴ピッチは５ｍｍと大きく、開口率が６５％と大きいものを用いた。また、インナチャンバ１８の開口部２１（真空容器１内へのウエハの出し入れを行うためのゲートや、プラズマ発光を観察するためのビューイングポートなど）から、２つの領域に分離された真空容器１の基板７の無い側に電磁波が漏れないよう、インナチャンバ１８の開口部２１より下側の接地点２２（図１）にて接地している。

また、多孔導体２０及び２６の距離は１０ｍｍとした。また、インナチャンバ１８の開口部２１（真空容器１内へのウエハの出し入れを行うためのゲートや、プラズマ発光を観察するためのビューイングポートなど）から、２つの領域に分離された真空容器１の基板７の無い側に電磁波が漏れないよう、インナチャンバ１８の開口部２１より下側の接地点２２（図１）にて接地している。

更に、アンテナ５の平面図は、図３に示すように、ショートピン１０が３ヶ所に設けられており、それぞれのショートピン１０がアンテナ５の中心に対して等配置されている。

図１に示すプラズマ処理装置において、白金膜付き基板をエッチングした。エッチング条件は、アルゴン／塩素＝２６０／２０ｓｃｃｍ、圧力＝０．３Ｐａ、アンテナ電力＝１５００Ｗ、基板電極電力＝４００Ｗである。このような条件でエッチング処理したところ、基板電極６よりも下側の領域（図１のハッチング部分）へのプラズマの拡がりが起きず、良好な放電状態を得ることができた。

このように、基板電極６よりも下側での放電が抑制でき、かつ、排気速度の低下を抑制できた。この効果は次のように説明できる。１層の開口率６５％の多孔導体によって、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に漏れる電磁波による電界強度は約１／１０に低下し、１層の開口率６５％の多孔導体によって排気速度は約２／３に低下する。２層の開口率６５％の多孔導体によって、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に漏れる電磁波による電界強度は（１／１０）２＝１／１００、１層の開口率６５％の多孔導体によって排気速度は（２／３）２＝４／９に低下する。一方、１層の多孔導体によって、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に漏れる電磁波による電界強度を１／１００にするためには、多孔導体の開口率を２０％にする必要がある。このとき、排気速度は約１／５に低下する。従って、２層の高開口率の多孔導体を用いると、排気速度の低下を最小にしつつ、電磁波の回り込みを効果的に防止できる。

本発明の実施形態においては、２層の多孔導体を用いる場合について説明したが、３層以上の多孔導体を用いることもできる。また、多孔導体と電波吸収体をともに用いて、基板電極６よりも下側での放電を抑制することが可能である。電波吸収体は一般にフェライトから成り、鉄を含んでいるため、基板への重金属汚染が発生するおそれがあるが、多孔導体が、２つの領域に分離された真空容器の基板の有る側に、多孔電波吸収体が、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に面しているような構造とすることにより、汚染の発生を抑制できる。従って、多孔導体と多孔電波吸収体を用いることで、排気速度の低下を最小にしつつ、電磁波の回り込みを効果的に防止できる。

また、本発明の実施形態においては、多孔導体間の距離が１０ｍｍである場合について説明したが、複数層の多孔導体間の距離は、３ｍｍ乃至３０ｍｍであることが望ましい。３ｍｍ未満の場合、基板の無い側への電磁波の回り込みが増加する傾向があり、逆に３０ｍｍを越える場合、多孔導体の層間の空間において放電が発生することがある。また、複数層の多孔導体の開口率は、各々５０％以上であることが望ましい。５０％未満である場合、排気速度の低下が著しく、多層化する効果が少ない。また、多孔導体と多孔の電波吸収体を用いる場合、多孔導体と電波吸収体の間の距離は、３ｍｍ乃至３０ｍｍであることが望ましい。３ｍｍ未満の場合、基板の無い側への電磁波の回り込みが増加する傾向があり、逆に３０ｍｍを越える場合、多孔導体と多孔電波吸収体の層間の空間において放電が発生することがある。

また、多孔導体と電波吸収体の開口率は、各々５０％以上であることが望ましい。５０％未満である場合、排気速度の低下が著しく、多層化する効果が少ない。

本発明の実施形態では、基板電極のアンテナ側表面よりも下側までプラズマが拡がらなくなったため、従来例に比べて処理チャンバとしての真空容器１に投入されたパワーに対する処理効率が向上し、同一のエッチング条件で比較すると、エッチレートが５％向上した（従来例：８０ｎｍ／ｍｉｎ、本発明の実施形態：８４ｎｍ／ｍｉｎ）。また、処理による真空容器１の汚れも基板電極のアンテナ側表面よりも下側まで拡がらず、メンテナンス作業の負担が軽減できた。

以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、真空容器の形状、アンテナの形状及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、言うまでもない。

以上述べた本発明の実施形態においては、誘電板の中心付近に設けられた貫通穴を介してアンテナに高周波電圧を給電し、誘電板の中心とも周辺とも異なる一部位に設けられ、かつ、アンテナの中心に対してほぼ等配置されている貫通穴を介して、アンテナと真空容器とをショートピンによって短絡する場合について説明したが、このような構成とすることでプラズマの等方性をより高めることができる。基板が小さい場合などは、ショートピンを用いなくても、十分に高い面内均一性が得られることは、言うまでもない。

また、以上述べた本発明の実施形態において、アンテナと真空容器との間に設けられた環状でかつ溝状のプラズマトラップによって、基板上のプラズマ分布が制御された状態で基板を処理する場合について説明したが、このような構成とすることでプラズマの均一性をより高めることができる。基板が小さい場合などは、プラズマトラップを用いなくても、十分に高い面内均一性が得られることは、言うまでもない。

また、アンテナとして図４に示した誘導結合プラズマ源におけるコイル２４や、図５に示す表面波プラズマ源における電磁波放射アンテナ２５などを用いる場合にも、本発明は有効である。

また、以上述べた本発明の実施形態において、真空容器を排気するためのターボ分子ポンプが、基板電極の直下に配置されており、かつ、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に、排気口が位置しており、真空容器を所定の圧力に制御するための調圧弁が、基板電極の直下で、かつ、ターボ分子ポンプの直上に位置する昇降弁であり、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に、調圧弁が位置している場合について説明したが、図６に示すように、ターボ分子ポンプ３が基板電極６の直下に配置されておらず、調圧弁１７が基板電極６の直下に配置されておらず、調圧弁１７が昇降弁でない場合においても、本発明は有効である。

また、真空容器内の圧力が、０．３Ｐａである場合について説明したが、真空容器内の圧力が低いほど基板電極のアンテナ側表面よりも下側でのプラズマが発生し易いので、本発明は、真空容器内の圧力が１０Ｐａ以下である場合に、有効な方法である。さらに、真空容器内の圧力が、１Ｐａ以下である場合に、特に有効な方法である。

また、アンテナに印加する高周波電力の周波数が、１００ＭＨｚである場合について説明したが、低圧力化でのプラズマ処理には、１００ｋＨｚ乃至３ＧＨｚの高周波電力を用いることができ、そのすべての領域において本発明は有効である。しかし、高周波電力の周波数が高いほど、電磁波が広い範囲に拡がっていく傾向があるので、基板電極のアンテナ側表面よりも下側でのプラズマが発生しやすい。従って、本発明は、高周波電力の周波数が高い場合、特に、５０ＭＨｚ乃至３ＧＨｚである場合に、有効な方法である。

また、本発明の実施形態において、インナチャンバによって真空容器の内壁面が覆われ、かつ、インナチャンバの開口部から、２つの領域に分離された真空容器の基板の無い側に電磁波が漏れないよう、インナチャンバの開口部より下側を接地した場合について説明したが、このような構造とすることにより、基板電極のアンテナ側表面よりも下側でのプラズマ発生をより効果的に防止することができる。しかし、場合によっては、このような構造としなくても基板電極のアンテナ側表面よりも下側でのプラズマ発生を防止することもできる。

本発明の実施形態で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図 本発明の実施形態で用いた多孔導体を示す平面図 本発明の実施形態で用いたアンテナの平面図 本発明を誘導結合プラズマ源方式プラズマ処理装置に適用した場合の構成を示す断面図 本発明を表面波プラズマ源方式プラズマ処理装置に適用した場合の構成を示す断面図 本発明の実施形態の変形例であるプラズマ処理装置の構成を示す断面図 従来例で用いたプラズマ処理装置の構成を示す断面図

符号の説明

１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ アンテナ用高周波電源
５ アンテナ
６ 基板電極
７ 基板
８ 基板電極用高周波電源
９ 給電棒
１０ ショートピン
１１ 誘電板
１２ カバー
１３ 誘電体リング
１４ 導体リング
１５ プラズマトラップ
１６ 排気口
１７ 調圧弁
１８ インナチャンバ
１９ 支柱
２０ 多孔導体
２１ 開口部
２２ 接地点
２６ 多孔導体

Claims (3)

1. 真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したこと
   を特徴とするプラズマ処理方法。
2. 真空容器内にガスを供給しつつ排気し、前記真空容器内を所定の圧力に制御しながら、前記真空容器内の基板電極に対向して設けられたアンテナに高周波電力を印加することにより、真空容器内にプラズマを発生させ基板を処理するプラズマ処理方法であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に多孔導体と多孔電波吸収体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したこと
   を特徴とするプラズマ処理方法。
3. 真空容器と、前記真空容器内にガスを供給するガス供給装置と、真空容器内を排気する排気装置と、真空容器内を所定の圧力に制御する調圧弁と、真空容器内に基板を載置する基板電極と、前記基板電極に対向して設けられたアンテナと、前記アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記基板電極の前記アンテナ側表面より下側に複数層の多孔導体が配置され、かつ、前記真空容器の内壁面をインナチャンバによって覆い、前記インナチャンバの開口部より下側側を接地したこと
   を特徴とするプラズマ処理装置。

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